基于GENESIS计算丁坝对石河南岛岸线演变的影响

朱 磊，刘会欣，刘修锦

（1. 河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066000；2. 河北省海洋地质资源调查中心，河北 秦皇岛 066000）

基于GENESIS计算丁坝对石河南岛岸线演变的影响

朱 磊1，2，刘会欣1，2，刘修锦1，2

（1. 河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066000；2. 河北省海洋地质资源调查中心，河北 秦皇岛 066000）

以秦皇岛市石河南岛的单丁坝为例，采用GENESIS模型进行数值模拟，探究石河南岛沙滩在丁坝掩护下的侵淤情况。通过与实际监测剖面资料对比分析，验证了GENESIS软件对该地区岸线演变的适用性，并进一步设计模拟了丁坝的不同组合方案（“双丁坝”和“丁坝+沙坝”）对岸线演变的影响，结果显示，“丁坝+沙坝”的设计更适用于该地区。

岸线演变；沙滩防护；丁坝；数值模拟；GENESIS

石河南岛地处秦皇岛市山海关区南部石河入海口海域，是秦皇岛唯一的海岛，海岸线长约3.54 km，岛陆面积82.38 hm2，属于无居民海岛，海岛由石河河口三角洲发育而成，属沙泥岛类型。由于长时间处于粗放管理，岛体南侧沙滩侵蚀严重，使石河南岛及周边海域的环境受到影响。2014年对石河南岛沙滩进行了整治修复，采取“软+硬”工程组合形式，软工程是人工补沙，硬工程是垂直于岸线的丁坝。岸线演变情况见图1。

丁坝是一种兼有导流、护岸、营造局部冲淤和调整水深等众多功能的水工建筑物，为世界上广泛采用的海岸防护建筑物之一。在沙滩防护方面，丁坝的作用是使海滩增宽，减小沿岸输沙率，达到保护海滩的目的。

目前丁坝对沙滩防护的研究主要是在数值模拟和物理试验方面。黄文典等[1]结合Galerkin加权余量法和Newton-Raphson迭代法来模拟淹没丁坝的二维水流形态，并且通过物理模型试验进行了验证，结果良好。崔占峰等[2]采用三维RNG紊流模型，结合壁面函数法和VOF方法，精细地模拟了丁坝附件的流场、地形冲淤变化和冲刷坑形态等问题，并且把计算结果与相关实验资料进行了对比分析，吻合较好，能够为工程实际提供科学参考和依据。在庄振业等[3]探究的补沙养滩的硬工程中，也研究了丁坝这种结构型式，且往往多个丁坝组成丁坝群来使用，坝距等于2～4倍坝长时，坝距越短，坝间淤沙越多。于守兵等[4]采用水槽试验和三维浅水模型相结合的方法，研究了丁坝端坡对淹没状态下丁坝附件水流结构的调整作用，结果表明，淹没程度（定义为坝顶水深与水槽平均水深之比）为0.17时，坝顶溢流对下游流态影响较小，但仍出现与主流区流向相反的回流区；端坡系数m=7时能够将丁坝附件流场调整的较为均匀。Serizawa等[5]基于Bagnold的理论，并加入Ozasa和Brampton的沿岸输沙系数附加项，建立BG模型，从理论上探究了泥沙在斜向波情况下经过丁坝、离岸堤等建筑物后的状态，将泥沙运动进行可视化。

本项工程是在丁坝及人工养滩基础上对石河南岛进行整治修复，养护后的海滩经过长时间演变才能达到动态平衡，目前丁坝在国内外的研究大部分集中在流场方面，本研究运用GENESIS数值模拟软件[6]，就丁坝对沙滩岸线的变化进行探究，为人工养滩及环境治理工程提供指导。

1 工程区域概况

石河南岛工程区域位于秦皇岛市山海关区，如图2所示，A区域为丁坝区域，B区域为人工补沙区域。A区域修建的丁坝长150 m，为堆石结构，丁坝与岸线垂直，高潮时透水，低潮时不透水。

图1 石河南岛岸线演变

图2 工程区域

石河南岛海域以潮流为主，运动形式基本是往复型，潮流主流向为NE～SW向，涨潮流向为NE向，落潮流向为SW向，余流流量很小。波浪方向、波浪周期及波高如图3所示。

2 数值模拟

2.1 数学模型简介

采用GENESIS模型来模拟海岸长期演变过程，目前该模型在国际上广泛应用于长期岸线演变、近岸建筑物和人工养滩对岸线变化的响应等方面。

2.1.1 控制方程

式中x表示沿岸线方向，y表示垂直岸线方向，DB表示海水所能到达的最大高程（滩肩高度），DC表示存在沿岸输沙的最大深度（封闭水深），q=qs+q0表示横向输沙率（离岸输沙+向岸输沙），Q表示沿岸输沙率。

2.1.2 沿岸输沙率

式中H表示有效波高（m），Cg表示波群速度（m/s），下标b表示波浪破碎时的参数，θbs表示破波角，无量纲参数a1和a2定义如下：

图3 波浪水文条件

式中ρs表示沙的密度，ρ表示海水的密度，p表示沙的孔隙率，tanβ表示海滩平均坡度，1.416为有效波高向均方根波高的转化系数，K1、K2为可调节的两个经验参数，可根据模拟结果进行调整。

2.2 模型参数设置

GENESIS数学模型的参数设置如表1所示。波浪数据及地形数据的模拟采用STwave系统[8]，数值模拟时间为2014年9月1日至2015年1月1日。

2.3 岸线侵淤模拟结果

本次数值模拟所采用地形资料为实测资料，初始岸线位置参考2014年航片。

表1 GENESIS参数值

放置与不放置丁坝时岸线的演变趋势如图4所示，在放置丁坝附近布置监测剖面（SH1、SH2、SH3、SH4、SH5），具体的侵淤模拟数据如图5所示，框内的数据表示放置丁坝后的影响区域，由于丁坝掩护范围有限，丁坝影响岸线的距离约300 m左右，其余位置的侵淤情况不受丁坝的影响。

图4 岸线演变趋势对比

在模拟区域放置丁坝后，与未放置丁坝的模拟结果相比，侵淤趋势并没有改变，只是侵淤速率减小。将侵淤距离进行无量纲化处理，图5中的数值模拟结果仅体现侵淤趋势，并不代表具体的侵淤距离。

3 数值模拟与监测数据对比分析

石河南岛沙滩整治工程竣工后，对沙滩剖面进行了监测，曲线如图6所示。揭示了石河南岛丁坝对侵淤趋势的影响。

图5 侵淤趋势预测

根据实际剖面的监测数据，SH1剖面距离丁坝最近，滩肩高度逐渐增加，外滩靠岸侧冲刷侵蚀，整体沙源是向滩肩淤积；SH2剖面海滩趋于平缓，外滩部分不断淤积，整体呈淤积状态；SH3剖面前滩由淤积到侵蚀状态，外滩呈逐渐淤积状态；SH4剖面滩肩先淤积后侵蚀最后是淤积，滩肩呈动态往复状态，外滩靠岸侧较为稳定，外滩靠海侧同样是动态往复状态；SH5剖面后滩部分较为稳定，滩肩前缘有向岸侧移动趋势，外滩靠岸侧呈不断侵蚀状态，外滩靠海侧先侵蚀后淤积。

在图4b中的数值模拟结果中，SH1、SH2、SH3和SH4剖面呈淤积趋势，SH2剖面淤积趋势最大，SH3剖面淤积趋势最小，SH5剖面呈侵蚀趋势。

对比数值模拟结果与监测数据，除了SH1剖面，其余剖面的侵蚀与淤积趋势的数值模拟与实际监测符合良好。在SH1剖面中，外滩靠岸侧出现侵蚀，滩肩高度增加，0 m岸线后退，与剖面模拟的结果不符，可能的原因：一是该丁坝为透水式，实际的掩护效果受水动力影响较大；二是该期间出现过几次较大风浪，导致外滩的沙源在波浪的作用下淤积到滩肩，岸线的稳定性还需要长期的监测分析。

通过GENESIS软件得到的数值模拟结果与大部分剖面监测结果符合良好，反映了丁坝在局部区域的功效，能够为以后的工程实际作指导。

4 讨论

在工程中除了采用单个丁坝外，还有采用多条丁坝组成丁坝群来达到修复整治的效果，丁坝群的重要设计参数之一为丁坝间距，根据庄振业等[3]的总结，坝距设计约等于2～4倍坝长，坝距越短，坝间淤积的沙越多，但是太近易泥化。按照Kraus等的总结，以下海岸上丁坝群拦沙效果不好：高潮差强潮流通过的岸段，泥沙强烈横向运移岸段，以及海滩较硬、裂流较强的岸段。

GENESIS能够较好地模拟石河南岛岸线演变，根据相应的参数设置，运用GENESIS进一步模拟不同设计工况对石河南岛岸线演变的影响。设计一在原有丁坝的基础上建立第二条丁坝，两条丁坝间距为2倍坝长，透水率均为0.4；设计二将丁坝与沙坝组合应用，在距离岸边200 m的位置放置一列透射系数为0.6的沙坝，与岸线平行。两种设计方案的数值模拟时间为4个月。

图7a是双丁坝设计图，丁坝1的SW向出现不规则淤积，NE向出现部分侵蚀，侵蚀程度不大；丁坝2的SW一侧淤积严重，NE一侧侵蚀严重，呈现不均匀态势。双丁坝模式改变了石河南岛近岸海域的沿岸输沙，但并不改变其横向输沙，因此打破了原有的动态平衡，输沙呈现不均匀状态，导致了岸线不规则的演变。图7b所示是“丁坝+沙坝”组合设计，该方案相比于双丁坝设计而言，对近岸局部区域的横向输沙和沿岸输沙均有影响，能较好地平衡两种输沙模式。由于沙坝的存在，丁坝附近的沙滩演变较稳定，在与沙坝平行的沙滩附近会出现小幅度的淤积，没有侵蚀严重的岸段，在动态平衡状态下，整体呈现稍微淤积趋势。

图6 剖面监测曲线

图7 设计方案对比

通过两种设计方案的对比，在石河南岛地区岸线丁坝群的设计会使沙滩岸线侵蚀和淤积波幅都较大，向两个极端发展，泥沙沿岸输移明显，不利于岸线稳定；丁坝与沙坝结合使用会使岸线在基本稳定的基础上稍微淤积，有利于沙滩岸线长期全面可持续发展。

5 结论

以石河南岛沙滩整治工程为背景依托，运用GENESIS软件对工程后岸线演变进行了模拟，探究了丁坝对周边海域及沙滩演变的侵淤特征影响，分析了丁坝不同组合形式下的岸线稳定性，初步得到以下结论：

（1）根据数值模拟结果与剖面监测数据的对比分析，结果显示大部分数值模拟与实际剖面符合良好，能够较好地反映出岸线形态演变，可为今后的工程实际作指导。

（2）运用GENESIS软件分析了两种设计方案（双丁坝、丁坝+沙坝）对岸线演变的影响，数值模拟结果显示：丁坝群设计侵蚀与淤积呈两极分化，近岸输沙紊乱，不利于沙滩岸线长期稳定发展；丁坝与沙坝组合设计能够使沙滩岸线在稳定的基础上，稍微淤积，近岸输沙较为稳定，有利于沙滩岸线长期稳定发展。可见，丁坝群设计在该地区不一定适合，该地区更偏向于丁坝与沙坝结合设计使用的方案。

[1]黄文典，李嘉，李志勤.淹没丁坝平面二维水流数值模拟研究[J].四川大学学报：工程科学版，2005，37（1）：19-23.

[2]崔占峰，张小峰，冯小香.丁坝冲刷的三维紊流模拟研究[J].水动力学研究与进展，2008，23（1）：33-41.

[3]庄振业，王永红，包敏，等.海滩养护过程和工程技术[J].中国海洋大学学报，2009，39（5）：1019-1024.

[4]于守兵，陈志昌，韩玉芳.淹没丁坝端坡对附件水流结构的调整作用[J].水动力学研究与进展，2012，27（1）：44-49.

[5]SERIZAWA M，UDA T，MIYAHARA S.Effects of Anthropogenic Factors on Development of Sand Spits and Cuspate Forelands with Rhythmic Shapes[J].Proceedings of the 7th International Conference on Asian and Pacific Coasts，2013，34（1）：37-53.

[6]赵友鹏，李娜，邱若峰，等.北戴河老虎石浴场人工养护前后演化特征[J].中国环境管理干部学院学报，2016，26（1）：67-73.

（编辑：周利海）

The Influence of Groin on Shoreline Evolution of Shihe South Island based on GENESIS

Zhu Lei1,2，Liu Huixin1,2，Liu Xiujin1,2
（1.Qinhuangdao Mineral Resource and Hydrogeological Brigade,Hebei Geological Prospecting Bureau, Qinhuangdao Hebei 066000,China; 2.Hebei Center of Marine Geological Resources Survey,Qinhuangdao Hebei 066000,China）

In this article,using the GENESIS model,numerical simulation was carried out to study the silting and sedimentation of the sandy beach in Shihe South Island.The applicability of GENESIS software to the coastline evolution in this area was verified by comparing with the actual monitoring profile data.Further simulations were made to simulate the effects of different combinations of groin("Groin+Groin"and"Groin+sand bar")on shoreline evolution.Conclusions showed that"Groin+sand bar"model was more suitable for the region.

shoreline evolution,beach defense,groin,numerical simulation,GENESIS

X55

A

1008-813X（2017）01-0036-06

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.01.10

2016-11-11

河北省科学技术研究与发展计划《北戴河海滩恢复治理关键技术研究与示范》（11276709D）

朱磊（1989-），男，山东潍坊人，毕业于中国海洋大学水利工程专业，硕士，助理工程师，主要从事海岸工程、数值模拟方面的研究工作。